Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

CONCENTRATION PROTECTIVE GAS TO IMPROVE THE QUALITY OF WELDED JOINTS IN WELDING WITH PULSED ELECTRODE WIRE FEED

Pavlov N.V. 1 Kryukov A.V. 1
1 Yurginskij Technological Institute (branch) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education, "National Research Tomsk Polytechnic University"
Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении металлоемкости. Однако, при сварке стали данного класса склонны к образованию закалочных структур и холодных трещин. Одним из перспективных способов получение качественного сварного соединения является сварка с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов Ar(70%±3%)+СО2(30%±3%). В результате проведенных экспериментальных исследований химического состава, механических свойств и микроструктурного анализа сварных соединений, полученных при сварке с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов. Установлено, что механические свойства сварных соединений, полученных при сварке в смеси газов Ar+CO2 повышаются на 10-15% по сравнению с защитой в СО2. Что обусловлено сохранением элементов раскислителей (6%-кремний и 8%-марганец), которые оставаясь в металле шва, повышают ударную вязкость. Проведенные металлографические исследования двух способов позволяют говорить, что закономерности изменения структуры аналогичны.
Srednelegirovannye martensitic-bainitic steel for superior structural strength while reducing metal consumption. However, when welding steel of this class tend to form structures and hardening cold cracking. One of the promising methods of obtaining high-quality welded joint is pulse welding wire feed gas mixture in Ar (70% ± 3%) + CO 2 (30% ± 3%). As a result of experimental studies, the chemical composition, mechanical properties and microstructural analysis of the welded joints obtained by welding with pulsed feeding of the electrode wire in the gas mixture. It has been established that the mechanical properties of welded joints obtained by welding the gas mixture Ar + CO2 increased by 10-15% compared with the protection into CO2. Due to the preservation of elements of reductants (6% and 8% -kremny -Manganese), which remains in the weld metal, increase the toughness. Metallographic study two methods suggest that the patterns of change in the structure are similar.
srednelegirovannye martensite-bainitic steel service properties
a mixture of gases
pulse feed

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали обладают высоким комплексом эксплуатационных свойств и используются для производства ответственных конструкций [3,9]. Они обеспечивают высокую прочность конструкции при одновременном снижении металлоемкости. Однако при сварке стали данного класса склонны к образованию закалочных структур и холодных трещин. Получение надежных сварных соединений осложняется также повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений при статических и, особенно, при динамических нагрузках. Такая опасность тем больше, чем выше легирование стали углеродом [9].

Одним способов получения качественного сварного соединения является сварка с использованием механизмов импульсной подачей электродной проволоки (ИПЭП) [7,11].

Рационально использовать механизмы тянущего типа, т.к. это определяет не только портативность системы, но и что более важно точнее передает форму импульса. Это объясняется тем, что перемещение проволоки через направляющий канал полуавтомата чувствительно к форме и размеру изгиба шланга [2,4,8]. Перемещение проволоки в импульсном режиме через сопротивление шланга в любом случае сопровождается демпфированием переднего и заднего фронтов импульса, но если учесть, что положение шланга может меняться в ходе каких-либо манипуляций сварщика, то будет меняться и форма импульса, и соответственно условия воздействия на процесс сварки.

Вследствие этого сварка с импульсной подачей электродной проволоки (ИПЭП) с использование механизмов тянущего типа является актуальной задачей, данный процесс как обеспечивает преимущества импульсно-дуговых способов сварки, так и не имеет существенных недостатков.

Также не маловажным фактором, влияющим на качество сварного соединения, является защитная газовая среда. Проанализировав существующие и применяемые защитные газы и смеси на их основе, рационально использовать смесь Ar+CO2 [1]. Данная смесь активно применяется на производстве, положительно сказывается на технологических свойствах сварочной дуги (повышая стабильность ее горения), происходит снижение размеров брызг и уменьшение потерь на разбрызгивание, уменьшается выпуклость шва, с резким переходом к основному металлу (рис. 1) [10].

 а)

DSCF4084 б)

Рис. 1. Внешний вид швов полученных способом сварки с ИПЭП в СО2 (а) и способом сварки с ИПЭП в смеси газов Ar+CO2 (б)

На основе проведенных ранее экспериментов было установлено, что применение смеси Ar(70%±3%)+СО2(30%±3%) при сварке сталей обыкновенного качества (Ст3пс) снижают величину потерь электродного металла на угар и разбрызгивание до 2% [5]. Однако вопросы применяемости данного процесса при сварке среднелегированные мартенситно-бейнитных сталей мало изучены.

В результате была поставлена цель: изучить влияние состава защитной газовой среды на структуру и эксплуатационные свойства сварных соединений из среднелегированной мартенситно-бейнитный стали.

Методы исследования

Для исследования влияния состава защитной газовой среды на структуру и эксплуатационные свойства сварных соединений из стали среднелегированной мартенситно-бейнитный стали провели экспериментальные исследования двух способов защиты сварных соединений:

1) сварка в СО2(100%);

2) сварка смеси газов Ar(70%±3%)+СО2(30%±3%).

В обоих случаях в состав экспериментальной установки входили: автоматическая сварочная головка ГСП-2, укомплектованная механизмом импульсной подачи электродной проволоки [6], источник питания ВС-300Б, смесительное оборудование, состоящее из трех ротаметров и смесительной камеры. Сварку производили пластин из стали 30ХГСА толщиной 10мм, в Х-образную разделку сварочной проволокой Св-08ГСМТ-О (диаметром 1,2 мм)

Режимы сварки образцов представлены в табл.1.

Таблица 1

Режимы сварки образцов

№ образца

Материал

Защитный газ

I, A

Uд, B

Vсв, мм/с

f, Гц

«1»

30ХГСА

100%СО2

200-210

23-24

3.6

64

«2»

30ХГСА

70%Ar+30%СО2

220-230

24-25

3.7

64

Различие в значениях энергетических параметров связано с тем, что для достижения одинаковых значений глубины проплавления необходимо увеличить режимы сварки с ИПЭП в смеси газов Ar+СО2 на 5-10% по сравнению с ИПЭП в СО2, так как добавление аргона приводит к ее уменьшению [7].

Оценка химического состава сварного шва проводилась с использованием последовательного рентгенофлуоресцентного спектрометра LabCenter XRF-1800.

Пробы для исследования производились в двух точках в основном металле и металле шва (рис.2). Диаметр точек равен 3мм.

N_15

Рис.2. Точки замеров для исследования химического состава

Механические свойства сварных соединений определялись в соответствии с общепринятыми методиками, представленными в ГОСТ 6996-66 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств».

Предел прочности определялся на разрывной машине «ALFRED J. AMSLER», соответствующей ГОСТ 7855-84.

Исследование микроструктуру наплавленного металла сварных соединений наблюдалась на микроскопе ЕС МЕТАМ РВ (ГОСТ15150-69) в комплекте с цифровым фотоаппаратом Fuji Film Fine Pix S6500fd, обеспечивающим документирование данных с микроскопа.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе проведенных исследований полученные сварные образцы, которые подвергли количественной оценки химического состава, механическим испытаниям и структурному анализу сварного соединения (табл. 2, 3 и рис. 3).

Таблица 2

Химический состав наплавленного металла

№ образца

Химические элементы

С, %

Si, %

Mn, %

S, %

P, %

«1»

0,24-0,26

0,74-0,76

0,63-0,65

0,013

0,017

«2»

0,25-0,27

0,78-0,8

0,66-0,68

0,013

0,017

Таблица 3

Результаты механических испытаний сварных образцов

Способ защиты сварных соединений

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Т=0ºС

Т=20ºС

Т=-20ºС

Сварка с ИПЭП в СО2

62…66

72…76

52..56

Сварка с ИПЭП в смеси Ar+СО2

77…81

85…89

60…64

Как видно из табл. 3, механические свойства сварных соединений, полученных при сварке в смеси газов Ar+CO2 повышаются на 10-15% по сравнению с защитой в СО2.

Это связано с тем, что при сварке в процесс раскисления в меньшей степени участвуют кремний и марганец, которые оставаясь в металле шва, повышают ударную вязкость.

Проведенные металлографические исследования (рис.3) двух способов позволяют говорить, что закономерности изменения структуры аналогичны.

В центре металла шва видны темно-коричневые пластинки бейнита в более светлой матрице мартенсита (рис.3 а,б). А на границе зоны термического влияния (рис.3 в,г) феррит-бейнит (слева) и исходная ферритно-перлитная структура (справа внизу).

Стоит отметить, что сварные соединения не подвергались термообработке. Устранение подогрева и послесварочной термообработки из технологического процесса сварки стали 30ХГСА и уменьшение времени на зачистку изделия, позволит увеличить производительность труда по сравнению с первым способом на 5-10%.

 а) в)

 б) г)

Рис.3. Микроструктура (×1000): а) участок в центе металла шва при сварке с ИПЭП в СО2; б) участок в центе металла шва при сварке с ИПЭП в смеси Ar+СО2; в) участок границы зоны термического цикла при сварке с ИПЭП в СО2; г) участок границы зоны термического цикла при сварке с ИПЭП в смеси Ar+СО2

Вывод

Установлено, что применение защитной газовой среды Ar(70%±3%)+СО2(30%±3%) в сравнении с СО2(100%), позволяет увеличить величину ударной вязкости сварного соединения на 10-15%, за счет меньшего выгорания элементов раскислителей (6%-кремний и 8%-марганец).

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 14_08_31036

Рецензенты:

Данилов В.И., д.т.н., профессор, Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г.Юрга;

Бурков П.В., д.т.н., профессор, Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г.Юрга.